某某高速公路某某某大桥20米混凝土小箱梁(空心板)加荷载试验方案

某某高速某某某大桥20米混凝土

小箱梁加固荷载试验方案

某某某大桥小箱梁加固荷载试验分析课题组

2010年9月

一、工程概况

 某某高速公路某某某大桥位于某某——某某连接线，其上构为带悬臂的先简支后桥面连续预应力混凝土宽幅小箱梁(单板顶面宽2.2m)，每跨四榀梁。该桥99年建成通车，由于车辆超载、地震及雪灾等因素，桥梁出现了一些超规范允许的裂缝，桥梁最不利受力截面承载力虽然满足规范要求，但富余度有限，很难适应目前普遍的桥梁超载现状。该桥于2008年～2009年通过初步设计及设计理论试验验证阶段后，于2009年8月正式开始加固施工。某某某大桥除了采取常规手段进行裂缝及缺陷修补外，针对上构小箱梁梁端斜截面抗剪极限承载力不足，全桥上构小箱梁采取了目前比较先进的外包自密实混凝土、新增预应力的主动加固方式进行结构补强，并更换全桥橡胶支座。

为了解发生病害后梁体结构的实际承载能力，我公司成立某某某20m小箱梁加固荷载试验分析课题组，对出现病害特征最明显的原桥22跨右幅桥2号小箱梁进行极限承载力试验，对具有相同病害特征的3号小箱梁按加固设计要求进行结构补强后进行极限承载力试验，分别准确测试加固前后20m小箱梁的极限承载力。

二、试验目的

将选取的加固前后的两片试验梁，按设计荷载值分级加载到极限承载状态，测试小箱梁的极限承载力，了解其承载力情况。通过对试验结果的分析，为重要截面出现裂缝仍在继续使用的同类小箱梁桥梁，提供承载力数据参考，作为安全评估的重要依据；通过加固前后单梁极限荷载试验结果对比，评估加固设计及施工效果，为今后同类型的桥梁加固维修提供数据模型和参考。

三、试验依据

（1）《混凝土结构设计规范》（GB50010）；

（2）《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）；

（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023—85）；

（4）《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—）；

（5）《混凝土结构试验方法标准》（GB50152-92）；

（6）与本项目相关的图纸。

四、试验内容

（1）加固前r22-2号小箱梁在各级荷载下的应力、挠度；

（2）加固后r22-3号小箱梁在各级荷载下的应力、挠度；

（3）试验构件裂缝分布及扩展情况。

五、投入的仪器、设备

拟投入的仪器设备主要包括两台70吨以上汽车吊、50装载机、100吨顶升系统、100吨油压千斤顶、静态应力测试系统、振弦式综合测试仪，振弦式应变传感器、电子位移计、电阻应变计、裂缝观测仪、固定表座、笔记本电脑、相机等。由于本次试验以应变（应力）和挠度测试为主，故此特在表1中给出了主要的应力和挠度测试仪器及传感器。

表1  主要测试仪器及传感器

6.1 预制板裂缝检测

试验前先用肉眼对梁体进行观测，用记号笔标出裂缝的位置、方向及延伸高度，用裂缝观测仪量测裂缝的宽度，绘制裂缝展开图。

选择不同类型裂缝中3～5条裂缝，在梁（板）体上留下最大裂缝宽度观测值、裂缝始终端等标志，实时观测并记录裂缝在加载过程中的变化情况。

6.2 工况及测点布置

（1）预应力小箱梁荷载试验：

将被检构件架设成为简支结构（支点必须能承受载荷及本体荷重且牢固可靠），测试其极限承载力，试验测试内容见表2，测试工况控制截面如图1所示。

                     表2  小箱梁极限承载力荷载试验工况

（2）测试断面挠度测点的设置：

跨中截面处板底面布置挠度测点，0、L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8、L截面布置挠度测点，其测点布置示意图如下：

 图2 小箱梁挠度测点布置图

（3）测试截面应变测点布置图

图3  加固前截面应变测点布置图

图4  加固后 L/2截面应变测点布置图

图5  加固后截面应变测点布置图（不包含L/2截面）

图6  加固前后剪切应变测点布置图

（4）应变计的选取

支座处剪切应变测试采用电测法进行，在混凝土表面粘贴大标距电阻应变片（应变花），采用电阻应变仪测读；箱梁顶部受压区混凝土的应变测试也采用这一方式进行。各测试截面中其余测点的应力测试则采用外贴式振弦应变传感器，在加固过程中贴于原来的混凝土表面并埋入外包混凝土内，该传感器量程大、精度高，且自身防破损能力好，适用于中、长期观测。

6.3 加载控制荷载

根据设计规范、原设计图及加固设计图，分别计算出原小箱梁及加固后小箱梁跨中截面弯矩设计值，分别采用三种方法来计算本次试验的加载控制值。

1）根据本桥的设计荷载来确定箱梁的极限承载力

主要设计为汽超—20、挂—120，荷载横向分布采用刚接板法，可计算得到边箱梁最大横向分布系数为0.551。用Midas计算恒载跨中弯矩为 961.5kN*m，活载最大弯矩为996.8kN*m，则箱梁的极限承载力为M=1.2*M恒+1.4*M活- M恒=1.2*961.5+1.4*996.8-961.5=1587.8KN*m

根据等效原则，试验荷载P*L/4=1587.8KN*m  则P=317.5KN

2）根据箱梁截面设计确定其极限承载力

用Midas计算加固前小箱梁跨中抗力R=3351.6 KN*m，自重作用下跨中弯矩M =961.5KN*m，则试验荷载值应为T=R- M =3351.6-961.5=2390.1KN*m。根据等效原则，试验荷载P*L/4 =2390.1KN*m，则P=478.1KN。 

加固后小箱梁跨中抗力R=46.46 KN*m，自重作用下跨中弯矩M =1342.2KN*m，则试验荷载值应为T=R- M =46.46-1342.2=3347.26KN*m。根据等效原则，试验荷载P*L/4 =3347.26KN*m，则P=669.4KN。

加固前后小箱梁抗力计算结果（依据现行规范）见附件一，可以看出，与Midas计算结果基本一致。

3）采用ANSYS实体建模计算确定箱梁的极限承载力

采用ANSYS软件进行箱梁的实体建模，混凝土采用Solid65单元模拟，预应力钢束采用Link8单元模拟。

加固前、后预应力混凝土小箱梁跨中受集中荷载分别达到600KN、800KN时，受拉区混凝土已达到其极限抗拉强度，具体计算结果见附件二。

综上所述，初步拟定在试验中分别采用478.1KN、669.4KN作为箱梁加固前后的极限荷载。考虑到理论计算与实际情况之间将不可避免地存在误差，整个反力架系统的设计、验算均按照必须提供80t极限试验荷载这一标准进行。

6.4 加载布置

本次试验采用等效荷载加载方式，在结构设计的影响线最不利处布载，等效荷载采用集中力的方式加载，试验加载载荷如下：  

      表 3  试验加载载荷一览表                        

本次加载荷重采用油压千斤顶加荷方式进行，油压千斤顶使用施工现场的预应力张拉设备，设备已经经过标定试验，符合加载要求。采用Q345工字钢钢作为反力梁，利用既有20m小箱梁作为配重梁，配合组成加载系统，如附件三所示。

6.6 分级加载工况

按照试验荷载加载分级原则进行现场试验。根据梁的外观完好性，选定r22-2梁直接分级加载至极限荷载，另一榀梁（r22-3号梁）按设计要求加固腹板后分级加载至极限荷载，加固前荷载工况见表4，加固后荷载工况见表5。

表 4  加固前荷载试验千斤顶加载控制表

根据《混凝土结构试验方法标准》（GB50152-92）第8. 0.1条：对试验结构构件进行承载力试验，当结构构件受力情况为轴心受拉、偏心受拉、受弯、大偏心受压时，在加载或持载过程中出现下列标志之一即认为该结构构件己达到或超过承载能力极限状态：

1.对有明显物理流限的热轧钢筋，其受拉主钢筋应力达到屈服强度，受拉应变达到0.01 ；对无明显物理流限的钢筋，其受拉主钢筋的受拉应变达到0. 0l；

2.受拉主钢筋拉断；

3.受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1. 5mm；

4.挠度达到跨度的1/50;对悬臂结构，挠度达到悬臂长的1/25； 

5.受压区混凝土压坏。

本次荷载试验选取第三条和第四条作为小箱梁超过承载力极限的标志，不满足二者之中任何一条，均视为构件已达到或超过承载能力极限状态。

6.8 试验过程

正式荷载试验是整个荷载试验的核心内容，荷载试验的过程如下：

 (1)仪器调试与模拟试验

试验仪器能否正常的工作是试验的成功关键，因此在本次试验前对所有测试仪器、设备进行仔细的标定与调试，并在正式荷载试验前采用一定试验加载重物进行预压模拟试验。

 (2)静载初读数

静载初读数是指试验正式开始时的零荷载读数，不是准备阶段调试仪器的读数。从初读数开始整个测试系统就运动起来了，测量、重物加载人员进入现场各司其职。

 (3)分级加载试验

在正式试验前，按照试验方案在板面上标出详细显目的加载位置，并在试验过程中安排专人指挥重物摆放。

在荷载试验初期，以试验值的20%作为初始加载荷载，并以此初始荷载对构件进行预压。预压持续时间约5～10min后正式分级加载。

(4)稳定后读数

严格按照加载程序进行逐级加载，加载后结构的变形和内力需要有一个稳定过程，对不同的结构这一过程的长短都不一样，一般是以控制点的应变值或挠度值稳定为准，只要读数波动值在测试仪器的精度范围以内，可认为结构已处于相对稳定状态，可以进行读数采集。

(5)终止加载控制条件

根据承载能力极限状态的判别标准，发生承载能力极限状态5种标志情况中任意一种，则中途终止加载。

6.9 裂缝观测

试验加载过程中，对构件表面裂缝进行观察，看是否有新的裂缝出现，并检查已标记的裂缝长度、宽度是否有扩展现象，若有并记录扩展后的裂缝长度和宽度。

七. 反力架系统安装及安全、环保措施

7.1反力架系统的安装

试验反力架系统采用从旧桥上拆除的旧梁作为配重梁提供试验所需反力，在试验梁两侧各配一根配重梁，单片梁宽2.2m，高1.2m，重36.8t， 两片梁重73.6t，试验所需反力为70.29t，配重梁可以保证试验反力要求。

反力架系统安装步骤：

首先将两片配重梁平行搁置在试验梁两侧，并在两片配重梁底面和顶面各横向放置两根工字钢，工字钢两端应伸出梁边缘一定长度，将配重梁梁顶和梁底的工字钢用精轧螺纹钢和螺母（配锚板）连接起来；

在试验梁加载处千斤顶上横向放置2根5m长的Q345普通工字钢（型号56b）作为分配梁，将配重梁梁顶工字钢在中心处与分配梁通过工字钢和精轧螺纹钢连接；

同时在每片配重梁两侧各安装三个工字钢斜撑，以防止配重梁由于不均衡受力而倾覆。

7.2加载过程中的安全保证措施

进行破坏性荷载试验时安全保证措施：

构件脆断时，千斤顶可能倾倒；承压钢板焊接角钢组成护套（填充橡胶），防护钢缆系在反力架上；为防止构件脆断时千斤顶因突然倾倒而损坏，进而影响到后续试验步骤，还应准备两台备用千金顶。

构件脆断时，小块混凝土迸裂；现场试验人员佩戴安全帽，可考虑安装防护网。

因试验台座较高，还应在试验梁段正下方沿长度方向放置两排混凝土垫块（垫块顶部距离箱梁底部至少20cm），防止构件破坏后直接从台座上坠落，引发危险。

7.3试验设备的安全

当试验准备工作开始后，各种试验仪器及大量试验导线会陆续安排到位，进行试验前的各项调试。在正式荷载试验前，安排专人对各项试验设备看守。

7.4环保措施

为保证试验现场环境卫生、整洁、桥面美观，要求试验参加人员必须做到：

（1）不乱丢废弃材料，废弃材料集中后带出试验区；

（2）不乱丢生活垃圾，生活垃圾集中后带出试验区。

7.5注意问题

荷载试验期间，试验区需停止一切无关作业，禁止无关人员在试验现场，需施工单位给予大力配合。具体为：

（1）试验梁应无额外荷载。

（2）各作业人员应听从试验指挥人员的安排，以免因施工作业而引起对测试信号的干扰。

（3）各作业人员应爱护测点，不得损坏，以免影响测试工作的正常进行。

八.试验组织机构及人员安排

某某某20m小箱梁荷载试验成立某某某20m小箱梁荷载试验指挥小组和某某某20m小箱梁荷载试验试验小组，试验指挥小组由指挥长担任，负责组织、协调处理和确定在试验过程中可能出现的各种问题。试验小组组长由试验方人员担任下再分设若干测试小组，试验组织机构见图7，参与人员见表5。

图7  某某某20m小箱梁荷载试验组织机构图

表6现场主要试验人员职责表

本次试验工期按现场检测准备条件确定，目前四片梁已吊运至混凝土搅拌站，初步估计在9月上旬进行加固施工，9月中旬进行场地处理及梁板位置调整，正式的荷载试验预计在9月底进行，大约需5～6个工作日。

十、存在的问题

1. 目前四榀梁从右幅22跨通过两次吊运，已两两相叠的放置在某某某大桥第265跨桥侧下方的混凝土搅拌站内。混凝土搅拌站除了部分重车经常通行的区域进行路面硬化处理外，其它地方均为软基，车辆极易下陷。搅拌站场地有限，大吨位吊车的行走及吊装在搅拌站现有的场地状况下，很难实现将四片梁按照加载布置要求一一摆开，配重梁在搅拌站的移动是本试验的难题之一。

2. 试验中可能出现所加荷载值不足以使试验梁段发生破坏这一情况，此时可在配重梁内或表面放置沙袋，以解决配重不足的问题。

附件一、加载前后小箱梁抗力计算（依据现行规范）

加固前：

1、计算混凝土受压区高度[JTG D62-04 5.2.3-3]

x=78.mm；x＜2a'

2 、构件截面抗弯承载力[JTG D62-04 5.2.5-2]

Mn=MnPsc_s=Σfpd*Ap*(h-ap-as')=3351.6kN*m

加固后：

1、迭代法计算混凝土受压区高度[JTG D62-04 5.2.3-3]：

x=113.50mm；x≤hf'按矩形计算；

2、混凝土抗弯承载力[JTG D62-04 5.2.2-1]

MnCon=fcdbx(h0-x/2)=18.40*2200.00*113.50*(1041.11-113.50/2)

=4522569462.04 N*mm=4522.57kN*m

3、普通钢筋抗弯承载力[JTG D62-04 5.2.3-2]

MnStc=Σf'sdAs'(h0-as')=166885766.67N*mm=166.kN*m

4、则构件截面抗弯承载力[JTG D62-04 5.2.3-2]

Mn=MnCon+MnStc =4522.57+166.=46.46kN*m

附件二、加载前后小箱梁极限承载力计算（Ansys模拟）

图1  加固前小箱梁有限元模型

图2  加固前小箱梁应力图（集中荷载：600KN）

图3  加固后小箱梁有限元模型

图4  加固后小箱梁应力图（集中荷载：80KN）

附件三、反力梁加载示意图

 图1  反力梁加载系统平面示意图

图2  反力梁加载系统纵面示意图

 图2  反力梁加载系统立面示意图

图4  连接处大样图

附件四、 反力架系统承载力验算

1. 反力梁（工字钢）承载力验算

图1  工字钢加载结构简图

图2  工字钢内力图（上：弯矩， 下：剪力）

反力架分配梁选取C400×104×14.5/18的组合槽钢，抗弯校核：

σmax=Mmax/W=568kN*m×20cm÷392.4cm4=291.3MPa<δs=310MPa，满足要求。

抗剪切校核：

τmax=355kN×412.2 cm2÷392.4cm4=37.5MPa<τs=180MPa，满足要求。

2. 连接处焊缝强度验

取焊缝hf=10mm，焊缝抗剪强度200MPa，一个连接处焊缝总长度1.6m，则焊缝承载力为200*1600*10/1000=3200kN>355kN,故焊缝强度满足要求

3. 精轧螺纹钢承载力验算

       精轧螺纹钢采用直径为32mm的螺纹钢，其承载力为：

3.14*16*16*770=619kN＞355kN

满足试验要求。

4. 试验梁底垫块承载力验算

试验梁底垫橡胶支座，在最大试验荷载作用下，单块橡胶支座的压力为268kN，试验中所选用的橡胶支座承载力不得小于该值。

5. 千斤顶加载处试验梁局部承载力验算

千斤顶处应力为：

σ=355kN/0.25 m2=1.42MPa

小于C40砼抗压设计强度，满足要求。

附件五、荷载试验概算表